CN110424762A - 一种窑洞加固系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种窑洞加固系统，包括拱圈支撑机构，拱圈支撑机构紧贴设置在窑洞的拱顶；锚索机构贯穿设置在窑洞的拱顶上部土体内，锚索机构的下端与拱圈支撑机构固定连接，锚索机构的上端与锚索固定架固定连接；锚索固定架设置在窑洞顶面上方，锚索固定架用于固定安装锚索；锚索固定架的四角与立柱固定连接，立柱设置在窑洞的四周；本发明通过将拱圈支撑机构设置在窑洞拱顶，窑洞拱顶上部土体的变形通过拱圈支撑机构限制，由外部荷载或窑洞变形产生的附加土压力通过固定于拱圈支撑机构底部的锚索机构传递至锚索固定架，然后通过锚索固定架传递至立柱，最后由立柱将荷载传递至地面；从而有效释放窑洞拱顶上部土体压力，实现了对窑洞变形的限制。

Description

一种窑洞加固系统

技术领域

本发明属于窑洞加固技术领域，特别涉及一种窑洞加固系统。

背景技术

窑洞建筑文物主要分布于我国陕甘宁边区，数量众多且分布广泛，然而在风雨侵蚀和地震等自然营力作用下，这些窑洞文物多存在不同程度的变形、裂缝、局部坍塌等病害，如不及时加以保护，将面临永久损毁的威胁。当前我国对窑洞文物的保护技术尚不成熟，相关规范标准也不健全，所采取的加固方法多为拱圈内部支撑、墙体内外部锚杆拉结、表部填补修复等方法，上述方法既不能从根本上解决窑洞本体的稳定问题，又会大幅改变文物建筑原貌，不利于革命文物的传承和展示。

主要缺陷体现在以下方面：

(1)拱圈内部支撑通常采用预弯木条内嵌入拱圈内部，或用锚杆将窑洞屋面与拱圈内支撑结构拉结。前者能一定程度调整拱圈顶部的土压力分布，避免局部应力过大发生破坏，后者能对拱圈顶部黄土紧密压实，避免裂缝持续扩展，但两种方法均无法从本质上降低拱圈顶部土体对窑洞两侧墙体的压力。

(2)现有加固技术采用的锚固拉结系统一般通过水泥砂浆直接将钢筋与土体粘结，但由于钢筋与土体材料性质差异较大，难以充分发挥其抗拉强度；其次，钢筋遇水易锈蚀，其合理使用年限相比文物的传承时间极为短暂，耐久性难以满足要求；最后，水泥砂浆无法二次溶解，不符合文物建筑加固保护的可逆性要求。

(3)现有各类加固技术均是针对窑洞的某一特定病害问题研发的，各类加固技术间无合理的衔接措施，窑洞各部分的变形不能有效协调，可能导致加固措施间的衔接部位成为新的薄弱点。

(4)现有窑洞加固技术中支撑、替换、补砌等方式，主要以某个特定的非文物窑居建筑为加固对象，主要考虑造价与安全性要求，忽略了对其原貌的保持，且加固结构不具备通用性，不利于规模化应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种窑洞加固系统，解决了现有加固技术中无法有效释放窑洞拱顶上部土体压力的问题，从而达到限制窑洞的变形，增强其整体稳定性的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种窑洞加固系统，包括拱圈支撑机构、锚索机构、锚索固定支架及立柱，拱圈支撑机构紧贴设置在窑洞的拱顶；锚索机构贯穿设置在窑洞的拱顶上部土体内，锚索机构的下端与拱圈支撑机构固定连接，锚索机构的上端与锚索固定架固定连接；锚索固定架设置在窑洞顶面上方，锚索固定架用于固定安装锚索；锚索固定架的四周与立柱固定连接，立柱设置在窑洞的四周。

进一步的，还包括X型支撑架和X型支撑架对穿锚固系统，X型支撑架对称设置在窑洞的侧墙上部两侧，窑洞侧墙内侧的X型支撑架的上端与拱圈支撑机构的末端固定连接；X型支撑架对穿锚固系统贯穿设置在窑洞的侧墙上，X型支撑架对穿锚固系统的一端与窑洞侧墙内侧的X型支撑架固定连接，另一端与窑洞侧墙外侧的X型支撑架固定连接；X型支撑架包括矩形框架和X型支撑，X型支撑沿矩形框架的对角线设置，X型支撑与矩形框架之间铰接固定；设置在窑洞侧墙内侧的X型支撑架的矩形框架的上端通过螺栓与拱圈支撑机构的末端固定连接。

进一步的，还包括型钢固定装置和型钢固定装置对穿锚固系统，型钢固定装置对称设置在窑洞的侧墙下部两侧；型钢固定装置为L形型钢固定体，L形型钢固定体的竖直边紧贴窑洞侧墙设置，L形型钢固定体的竖直边的上端与X型支撑架固定连接；L形型钢固定体的水平边埋设在地下，且朝向远离窑洞侧墙的方向延伸；型钢固定装置对穿锚固系统贯穿设置在窑洞的侧墙上，型钢固定装置对穿锚固系统的一端与窑洞侧墙内侧的L形型钢固定体的竖直边固定连接，型钢固定装置对穿锚固系统的另一端与窑洞侧墙外侧的L形型钢固定体的竖直边固定连接。

进一步的，还包括防水屋面，防水屋面倾斜设置在锚索固定架的上方，防水屋面的四周固定设置在立柱的顶端；防水屋面较低一边设置排水沟槽，排水沟槽与设置在立柱上的落水管连通。

进一步的，拱圈支撑机构包括若干个拱圈支撑架和若干根纵向连接板，若干个拱圈支撑架沿窑洞的进深方向间隔均匀布设，拱圈支撑架的外形尺寸与窑洞拱顶尺寸相配合；相邻两个拱圈支撑架之间通过若干根纵向连接板拉结。

进一步的，锚索机构包括若干排锚索组，若干排锚索组沿窑洞的进深方向间隔均匀布设；同一排锚索组包括若干根锚索，同一排锚索组的若干根锚索均匀布设在窑洞拱顶上部土体内；每根锚索贯穿窑洞拱顶设置，锚索的下端与拱圈支撑机构固定连接，锚索的上端与锚索固定架固定连接；锚索采用钢绞线楠竹复合锚索结构。

进一步的，钢绞线楠竹复合锚索结构包括钢绞线、锚索环氧树脂胶层、楠竹锚索套筒、锚索锚固层、锚板及锚索固定螺栓，楠竹锚索套筒贯穿设置在窑洞拱顶内，楠竹锚索套筒的长度与窑洞拱顶上部土体厚度相同；楠竹锚索套筒与窑洞拱顶土体之间设置锚索锚固层；钢绞线贯穿设置在楠竹锚索套筒内；钢绞线与楠竹锚索套筒之间设置有锚索环氧树脂胶层，钢绞线的下端贯穿拱圈支撑机构，通过锚板及锚索固定螺栓固定设置在拱圈支撑机构上；钢绞线的上端与穿过锚索固定架，通过锚板及锚索固定螺栓固定设置在锚索固定架上。

进一步的，钢绞线楠竹复合锚索结构还包括局部防水层，局部防水层设置在锚索露出窑洞顶面处。

进一步的，X型支撑架对穿锚固系统或型钢固定装置对穿锚固系统均采用楠竹锚杆复合锚固系统；楠竹锚杆复合锚固系统包括钢筋、锚杆环氧树脂胶层、楠竹锚杆套筒、锚杆锚固层及锚杆固定螺栓；楠竹锚杆套筒贯穿设置在窑洞侧墙上；楠竹锚杆套筒与窑洞侧墙土体之间设置锚杆锚固层，钢筋贯穿设置在楠竹锚杆套筒内，钢筋与楠竹锚杆套筒之间设置锚杆环氧树脂胶层；钢筋的一端贯穿窑洞侧墙内侧的X型支撑架或型钢固定装置，并通过锚杆固定螺栓固定连接；钢筋的另一端贯穿窑洞侧墙外侧的X型支撑架或型钢固定装置，并通过锚杆固定螺栓固定连接。

进一步的，锚索固定架采用纵向槽钢和横向槽钢交错焊接制作，纵向槽钢和横向槽钢的腿部垂直地面向下设置，锚索固定架的上表面为平面；纵向槽钢和横向槽钢交错部位设置锚索固定孔，锚索固定孔用于固定锚索机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种窑洞加固系统，通过将拱圈支撑机构、锚索机构及锚索固定支架组合设置在窑洞拱顶，窑洞拱顶上部土体的变形通过拱圈支撑机构限制，由外部荷载或窑洞变形产生的附加土压力通过固定于拱圈支撑机构底部的锚索机构传递至锚索固定架，然后通过锚索固定架传递至立柱，最终通过立柱将其荷载传递至地面；当窑洞拱圈上部土体由于外力作用产生附加荷载而发生变形时，锚索机构随之张紧，确保了拱圈支撑机构保持在原位；本发明有效释放了窑洞拱顶上部土体压力，实现了限制窑洞的变形及其增强窑洞整体性的目的。

进一步的，通过设置于窑洞侧墙上部两侧的X型支撑架，并通过X型支撑架对穿锚固系统拉结，有效限制墙体横向位移和裂缝，同时有效限制墙体进深方向的纵向位移。

进一步的，通过将型钢固定装置背靠背设置在窑洞侧墙墙脚两侧，型钢固定装置的水平边埋设在地下，竖直边紧贴侧墙墙壁，并用型钢固定装置对穿锚固系统将窑洞侧墙两侧型钢固定装置拉结，从而将窑洞侧墙墙脚的无侧限受压状态转变为三向受压状态，大大提高窑洞侧墙墙角的抗压能力；避免了由于窑洞的侧墙墙脚需要承受窑洞上部的绝大部分压力，而使其产生的裂缝、变形甚至压溃破坏现象。

进一步的，通过设置防水屋面，实现了对窑洞顶面雨水的集中收集排除，避免了雨水对窑洞顶面的冲刷，同时避免了雨水渗入窑洞拱顶土体产生裂缝或削弱土体强度。

进一步的，采用若干均匀设置在拱圈支撑架时，其中任意两个相邻拱圈支撑架同时限制了窑洞拱顶上部土体的位移；通过设置在相邻两个拱圈支撑架间的纵向连接板既能够有效限制两拱圈支撑架间中部土体与边部土体的竖向位移差异，同时又将各拱圈支撑架连接为整体，从而保证窑洞拱圈上部土体的安全。

进一步的，锚索机构采用钢绞线楠竹复合锚索结构，钢绞线与楠竹锚索套筒之间设置可溶性环氧树脂胶层；当加固系统需要修缮时，采用将可溶性环氧树脂胶层溶解后，更换新的钢绞线，重新注入环氧树脂胶将钢绞线与楠竹锚索套筒粘接，实现了加固系统的可逆性，确保了后期修缮不会对窑洞造成二次伤害。

进一步的，通过在锚索露出窑洞顶面处设置局部防水层，避免窑洞顶面的积水通过锚索孔渗入窑洞拱顶土体内。

进一步的，通过在对穿锚固系统中设置可溶解环氧树脂胶层，当加固系统需要修缮时，采用将可溶性环氧树脂胶层溶解后，更换新的钢筋，重新注入环氧树脂胶将钢筋与楠竹锚杆套筒粘接，实现了加固系统的可逆性，确保了后期修缮不会对窑洞造成二次伤害。

附图说明

图1为本发明所述的窑洞加固系统的整体结构示意图；

图2为本发明所述的窑洞加固系统的正面示意图；

图3为本发明所述的窑洞加固系统中的拱圈支撑架正面结构示意图；

图4为本发明所述的窑洞加固系统中的拱圈支撑架平面展开示意图；

图5为本发明所述的窑洞加固系统中的拱圈支撑架横截面示意图；

图6为本发明所述的窑洞加固系统中的纵向连接板的正面结构示意图；

图7为本发明所述的窑洞加固系统中拱圈支撑架与纵向连接板的连接布置示意图；

图8为本发明所述的窑洞加固系统中的锚索机构结构示意图；

图9为本发明所述的窑洞加固系统中的锚索固定架的平面结构示意图；

图10为本发明所述的窑洞加固系统中的锚索固定架的横截面结构示意图；

图11为本发明所述的窑洞加固系统中的X型支撑架的正立面结构示意图；

图12为本发明所述的窑洞加固系统中的X型支撑架的横截面结构示意图；

图13为本发明所述的窑洞加固系统中的型钢固定装置结构示意图；

图14为本发明所述的窑洞加固系统中的对穿锚固系统结构示意图。

其中，1拱圈支撑机构，2锚索机构，3锚索固定架，4立柱，5X型支撑架，6型钢固定装置，7对穿锚固系统，8防水屋面，9窑洞；11拱圈支撑架，12纵向连接板；21钢绞线，22锚索环氧树脂胶层，23楠竹锚索套筒，24锚索锚固层，25锚板，26锚索固定螺栓，27局部防水层；41牛腿；51矩形框架，52X型支撑；71钢筋，72锚杆环氧树脂胶层，73楠竹锚杆套筒，74锚杆锚固层，75锚杆固定螺栓；701X型支撑架对穿锚固系统，702型钢固定装置对穿锚固系统；111第一连接节点，511第二连接节点，512第三连接节点，61第四连接节点。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如附图1-14所示，本发明所述的一种窑洞加固系统，包括拱圈支撑机构1、锚索机构2、锚索固定架3、立柱4、X型支撑架5、型钢固定装置6、对穿锚固系统7及防水屋面8。

拱圈支撑机构1设置在窑洞9的拱顶，拱圈支撑机构1的上表面紧贴窑洞9的拱圈设置；锚索机构2贯穿设置在窑洞9的拱顶上部土体内，锚索机构2的下端与拱圈支撑机构1固定连接，锚索机构2的上端与锚索固定架3固定连接；锚索固定架3设置在窑洞9顶面上方，锚索固定架3固定设置在立柱4上，立柱4设置在窑洞9的四周。

X型支撑架5和型钢固定装置6均设置在窑洞9的侧墙两侧，X型支撑架5设置在型钢固定装置6的上方；其中，窑洞9侧墙内侧的X型支撑架5的上端与拱圈支撑架1固定连接，窑洞9侧墙内侧的X型支撑架5的下端与型钢固定装置6的上端固定连接，型钢固定装置6的下端埋设在地下；窑洞9侧墙外侧的X型支撑架5与窑洞9侧墙内侧的X型支撑架5对称设置，窑洞9侧墙外侧的型钢固定装置6与窑洞9侧墙内侧的型钢固定装置6对称设置；窑洞9侧墙外侧的X型支撑架5的下端与窑洞9侧墙外侧的型钢固定装置6上端固定连接。

对穿锚固系统7贯穿设置在窑洞9的侧墙上，对穿锚固系统7包括X型支撑架对穿锚固系统701和型钢固定装置对穿锚固系统702；X型支撑架对穿锚固系统701的一端与窑洞侧墙内侧的X型支撑架5固定连接，X型支撑架对穿锚固系统701的另一端与窑洞侧墙外侧的X型支撑架5固定连接；型钢固定装置对穿锚固系统702的一端与窑洞9侧墙内侧的型钢固定装置6固定连接，型钢固定装置对穿锚固系统702的另一端与窑洞9侧墙外侧的型钢固定装置6固定连接。防水屋面8设置在锚索固定架3的上方，防水屋面8的四周与立柱6固定连接。

拱圈支撑机构1包括若干个拱圈支撑架11和若干根纵向连接板12，若干个拱圈支撑架11沿窑洞9的进深方向间隔均匀布设；拱圈支撑架11的外形尺寸与窑洞9拱顶尺寸相配合，拱圈支撑架11的上表面与窑洞9拱顶贴合设置；相邻两个拱圈支撑架11之间通过若干根纵向连接板12拉结，纵向连接板12沿窑洞9的进深方向设置；纵向连接板12的两端设置有L形卡槽，拱圈支撑架11配合设置在纵向连接板12的L形卡槽内，并通过螺栓固定连接。相邻两个拱圈支撑架11同时限制了其上部土体位移，同时在相邻两个拱圈支撑架11之间设置若干根纵向连接板12有效限制了两个拱圈支撑架之间中部土体与边部土体的竖向变形差异，并将各个拱圈支撑架11连接为整体，保证了窑洞9拱顶上部土体的安全。

锚索机构2包括若干排锚索组，若干排锚索组沿窑洞9的进深方向间隔均匀布设，每排锚索组与拱圈支撑架11的位置相适应；同一排锚索组包括若干根锚索，同一排锚索组的中间锚索垂直于窑洞9拱顶，且位于窑洞9拱顶的中间位置，其余锚索均匀设置在中间锚索的两侧；每根锚索贯穿窑洞9拱顶设置，锚索的下端与拱圈支撑架11固定连接，锚索的上端与锚索固定架3固定连接。

锚索采用钢绞线楠竹复合锚索结构，钢绞线楠竹复合锚索结构包括钢绞线21、锚索环氧树脂胶层22、楠竹锚索套筒23、锚索锚固层24、锚板25、锚索固定螺栓26及局部防水层27，楠竹锚索套筒23贯穿设置在窑洞9拱顶内，楠竹锚索套筒23的长度与窑洞拱顶上部土体厚度相同；楠竹锚索套筒23与窑洞9拱顶上部土体之间设置锚索锚固层24，通过锚索锚固层24实现楠竹锚索套筒23与窑洞9拱顶上部土体固定连接；楠竹锚索套筒23的内部竹节完全贯通，钢绞线21贯穿设置在楠竹锚索套筒23内；钢绞线21与楠竹锚索套筒23之间设置有锚索环氧树脂胶层22，钢绞线21通过可溶解的环氧树脂胶与楠竹锚索套筒23粘接固定；钢绞线21的下端贯穿拱圈支撑架11，通过锚板25及锚索固定螺栓26固定设置在拱圈支撑架11上；钢绞线21的上端与穿过锚索固定架3，通过锚板25及锚索固定螺栓26固定设置在锚索固定架3上；锚索露出窑洞9顶面处设置局部防水层，局部防水层设置在钢绞线21与楠竹锚索套筒23露出窑洞9顶面处，避免窑洞9顶面的积水通过锚索孔渗入窑洞9拱顶土体内。

立柱4设置在窑洞9的四周，立柱4的上端设置有牛腿41，锚索固定架3通过螺栓与牛腿41固定连接。锚索固定架3采用纵向槽钢和横向槽钢交错焊接制作，纵向槽钢和横向槽钢的腿部垂直地面向下设置，锚索固定架3的上表面为平面；纵向槽钢和横向槽钢交错部位设置锚索固定孔，锚索固定孔用于穿设固定钢绞线21。

X型支撑架5包括矩形框架51和X型支撑52，X型支撑52沿矩形框架51的对角线设置，X型支撑52与矩形框架51之间铰接固定；设置在窑洞9侧墙内侧的X型支撑架5的矩形框架51的上端通过螺栓与拱圈支撑架11的末端固定连接。

型钢固定装置6采用L形型钢固定体，L形型钢固定体的两边垂直且等长，L形型钢固定体的竖直边与窑洞9侧墙紧贴设置，L形型钢固定体的竖直边的上端通过螺栓与X型支撑架5的矩形框架51固定连接；L形型钢固定体的水平边埋置于地下，且朝向远离窑洞侧墙的方向延伸。

X型支撑架对穿锚固系统701及型钢固定装置对穿锚固系统702均采用楠竹锚杆复合锚固系统，楠竹锚杆复合锚固系统包括钢筋71、锚杆环氧树脂胶层72、楠竹锚杆套筒73、锚杆锚固层74及锚杆固定螺栓75；楠竹锚杆套筒73贯穿设置在窑洞9侧墙上，楠竹锚杆套筒73的长度与窑洞9侧墙的厚度相同，楠竹锚杆套筒73与窑洞9侧墙土体之间设置锚杆锚固层74，通过锚杆锚固层74实现楠竹锚杆套筒73与窑洞9侧墙土体之间的固定连接；钢筋71贯穿设置在楠竹锚杆套筒73内，钢筋71与楠竹锚杆套筒73之间设置锚杆环氧树脂胶层72，钢筋71通过可溶解的环氧树脂胶与楠竹锚杆套筒73粘接固定；钢筋71的一端贯穿窑洞9侧墙内侧的X型支撑架5或型钢固定装置6设置，并通过锚杆固定螺栓75固定连接；钢筋71的另一端贯穿窑洞9侧墙外侧的X型支撑架5或型钢固定装置6设置，并通过锚杆固定螺栓75固定连接。

防水屋面8倾斜设置在窑洞9的顶面上方，防水屋面8采用轻质防水板制作而成；防水屋面8的四周通过螺栓固定设置在立柱4的顶部；防水屋面8的水平投影面积大于窑洞屋面或锚索固定架3的面积，防水屋面8较低一边设置排水沟槽，排水沟槽与设置在立柱4上的落水管连通。

工作原理

当窑洞9拱顶上部土体由堆载、地震等外力作用产生附加荷载而发生变形时，锚索机构2随之张紧，保证拱圈支撑机构1保持在原位；拱圈支撑机构1上部土体的变形通过拱圈支撑架11限制，由外部荷载或窑洞变形产生的附加土压力通过固定于拱圈支撑机构1底部的锚索机构2传递至锚索固定架3，然后通过锚索固定架3传递至立柱4，最终通过立柱4将其荷载传递至地面。

拱圈支撑机构1中相邻两拱圈支撑架11同时限制了其上部窑洞拱顶土体位移时；而相邻两个拱圈支撑架11中间的窑洞拱顶土体由于缺乏竖向约束，可能发生相对于拱圈支撑架11上部土体的沉降位移；通过设置在相邻两个拱圈支撑架11间的纵向连接板12既能够有效限制两个拱圈支撑架之间中部土体与边部土体的竖向变形差异，同时又将各拱圈支撑架11连接为整体，从而保证窑洞9拱圈上部土体的安全。

通过X型支撑架5、型钢固定装置6和对穿锚固系统7实现了对窑洞9侧墙的变形约束，其中，窑洞9的侧墙墙脚需要承受窑洞9上部结构的绝大部分压力，因此，侧墙墙脚应力通常较大，易产生裂缝、变形甚至压溃破坏；型钢固定装置6在侧墙墙脚两侧背靠背设置，型钢固定装置6的水平边埋设在地下，竖直边紧贴侧墙墙壁，并用型钢固定装置对穿锚固系统702将窑洞侧墙两侧型钢固定装置6拉结，从而将窑洞9侧墙墙脚的无侧限受压状态转变为三向受压状态，大幅提高窑洞侧墙墙角的抗压能力。

窑洞侧墙上部与窑洞拱圈的连接部位受力复杂，且需协调侧墙墙脚土体与拱圈上部土体的变形和受力，通过设置于窑洞侧墙上部两侧的X型支撑架5，并通过X型支撑架对穿锚固系统701拉结限制墙体横向位移和裂缝，X型支撑51则能够有效限制墙体进深方向的纵向位移。

所述窑洞加固系统各个部件之间采用螺栓连接，后期修缮需要对窑洞加固系统进行更换时，可将上述各部件之间的连接螺栓拆卸，将锚索机构和对穿锚固系统中的可溶解环氧树脂胶溶解，而楠竹锚索套筒和楠竹锚杆套筒仍然保留在窑洞本体内，更换新的钢绞线或钢筋后，重新注入环氧树脂胶将钢绞线或钢筋与楠竹锚索套筒和楠竹锚杆套筒粘接，从而实现加固系统的可逆性，保证后续修缮不会对窑洞造成二次伤害。

当所有加固结构安装完成后，仅需对窑洞墙体表面及拱圈表面进行抹灰覆盖和做旧处理，最大限度的保持窑洞文物的原貌，且不影响展示期间人员的入内参观。

实施例

本发明所述的一种窑洞加固系统，包括拱圈支撑机构1、锚索机构2、锚索固定架3、立柱4、X型支撑架5、型钢固定装置6、对穿锚固系统7及防水屋面8，

同一排锚索组包括五根锚索，五根锚索的下端与拱圈支撑架11等间距的五个不同连接点固定连接；五根锚索的上端与锚索固定架3上的五个不同锚索固定孔固定连接；拱圈支撑架11沿窑洞进深均匀布设，共布设五个；相邻两个拱圈支撑架11之间通过五根纵向连接板12拉结，五根纵向连接板等间距设置。

锚索固定架3的四角放置在立柱4的上部牛腿41上，锚索固定架3与牛腿41之间采用螺栓固定连接。防水屋面8设置在锚索固定架3的上方，防水屋面8的四角通过螺栓固定安装在立柱4的顶端；立柱4采用工字钢或圆形截面型钢制作而成，立柱4分别布置在窑洞9的四周，窑洞9后部设置的立柱顶端高度高于窑洞9前部设置的立柱顶端高度；窑洞9前部设置的立柱上设置有落水管，每个立柱4靠近顶端附近均设置有牛腿41，各个牛腿顶面处于同一高度水平。

X型支撑架5和型钢固定体6沿窑洞9的进深布置四组，且二者长度均为窑洞进深的四分之一，X型支撑架5的上端与拱圈支撑架11的末端通过螺栓固定连接；X型支撑架5的下端与型钢固定装置9的上端通过螺栓固定连接；窑洞侧墙内侧的X型支撑架5和外侧的X型支撑架5之间通过X型支撑架对穿锚固系统701拉结固定，窑洞侧墙内侧的型钢固定装置6和外侧的型钢固定装置6之间通过型钢固定装置对穿锚固系统702拉结固定。

钢绞线楠竹复合锚索结构中的楠竹锚索套筒23的内部竹节全部打通，楠竹锚索套筒23的直径尺寸为35-60mm，壁厚为10-15mm，楠竹锚索套筒23的长度与窑洞拱顶上部土体的厚度相适应；楠竹锚索套筒23的外壁与窑洞拱顶土体之间设置锚索锚固层24，锚索锚固层为水泥砂浆或改性泥浆；钢绞线21的直径尺寸为6-10mm，钢绞线21对中设置在楠竹锚索套筒23内，钢绞线21与楠竹锚索套筒23之间设置锚索环氧树脂胶层22，锚索环氧树脂胶层22为可溶解环氧树脂；窑洞顶面锚孔处设置局部防水层27。

对穿锚固系统7的钢筋71采用直径为10-20mm的三级钢筋，钢筋71对中设置在楠竹锚杆套筒73内，楠竹锚杆套筒73的长度与墙壁厚度相同，钢筋71与楠竹锚杆套筒73之间设置锚杆环氧树脂胶层72，锚杆环氧树脂胶层72为可溶解环氧树脂，通过可溶解环氧树脂将钢筋71与楠竹锚杆套筒73粘接固定；楠竹锚杆套筒73的外壁与窑洞9的侧墙墙体之间设置锚杆锚固层74，锚杆锚固层74采用水泥砂浆或改性泥浆，通过锚杆锚固层74将楠竹锚杆套筒73与窑洞9侧墙固定连接。钢筋71的两端均穿过设置在墙体两侧的X型支撑架5和型钢固定体6的预留锚孔，并通过锚杆固定螺栓75锚定。

拱圈支撑架11均采用U形槽钢制成，拱圈支撑架11的几何形状与窑洞9拱顶下表面贴合；U形槽钢腿部朝向窑洞9拱顶内凹一侧，U形槽钢腿部每间隔1/5弧长设置一个直径5～10cm的螺栓连接孔，与纵向连接板12两端的L形卡槽连接；U形槽钢腰部每隔20～40cm设置一个直径约5～10cm的圆形或椭圆形锚孔，可通用于不同的锚索数量和连接位置的加固方案，拱圈支撑架11末端槽钢腿部设置有第一连接节点111，通过第一连接节点111与X型支撑架5顶端采用螺栓固定连接。

纵向连接板12由钢板制成，宽度不小于15cm，且不大于拱圈支撑架11腰部预留相邻锚孔边缘距离，纵向连接板12两端设有L形卡槽，L形卡槽垂直板面一边设有一个直径5～10cm的螺栓连接孔，与拱圈支撑架11槽钢腿部螺栓连接孔螺栓固定。

相邻两个拱圈支撑架11间通过纵向连接板12连接，纵向连接板12的L形卡槽固定于拱圈支撑架11外侧，与拱圈支撑架11的槽钢腿部紧贴；拱圈支撑架11与纵向连接板12上预留的螺栓连接孔重合，并采用螺栓固定，相邻两跨的纵向连接板12错位布置，且纵向连接板12的板面应避开拱圈支撑架11腰部预留锚孔。

锚索固定架3由纵、横向槽钢交错焊接制成，槽钢腿部垂直地面向下，锚索固定架3上表面为平面，纵、横向槽钢交错位置空隙为锚索固定孔，锚索固定孔的直径约为10-20cm。

X型支撑架5包括矩形框架51和X型支撑52组成，X型支撑52沿矩形框架51对角线布置；X型支撑52的端部与矩形框架51的四角铰接，矩形框架51的两侧竖向框架不同高度处各设两个锚孔，钢筋71穿设在锚孔内，并通过锚杆固定螺栓75固定连接在矩形框架51上。

矩形框架51的上端设置有第二连接节点511，矩形框架51上的第二连接节点511与拱圈支撑架11上的第一连接节点111配合，并通过螺栓固定连接在一起，第二连接节点511靠近窑洞侧墙一侧布置，便于与第一连接节点111紧密配合；第二连接节点511的内侧边缘与矩形框架51边缘的距离为2-5cm。矩形框架51的下端设置有第三连接节点512，第三连接节点512用于与型钢固定装置6固定连接。

型钢固定装置6采用L形型钢固定体，L形型钢固定体的两边垂直且等长，单个L形型钢固定体宽度约为1/4～1/8窑洞进深，L形型钢固定体的竖直边边长为窑洞侧墙高度的1/4-1/3，L形型钢固定体竖直边和水平边的厚度均为3-5cm，L形型钢固定体转角处厚度为边厚的2-3倍；L形型钢固定体竖直边上不同高度处分别设有两个锚孔，钢筋71穿过锚孔并通过锚杆固定螺栓75固定连接在L形型钢固定体的竖直边上；L形型钢固定体竖直边的上端设置有第四连接节点61，第四连接节点61与矩形框架51下端的第三连接节点512配合，并通过螺栓固定连接在一起；第四连接节点61设置在L形型钢固定体竖直边顶面距两侧边缘2-5cm处，确保第四连接节点61与第三连接节点512精确配合连接，实现了X型支撑架5与型钢固定装置6的固定连接。

防水屋面8采用轻质防水板制作而成，防水屋面8的水平投影面积大于窑洞顶面或锚索固定架的面积，防水屋面8的坡度为3％；防水屋面8坡面较低的一边设置有排水沟槽，排水沟槽与设置在立柱4上的落水管连通。

本发明所述的一种窑洞加固系统，加固结构简单，且通用性较强，可根据工程需求对各部分加固结构进行自由组合，自由选取锚索数量和连接位置；加固结构传力路径明确，能够大幅降低窑洞拱圈上部土体对两侧墙体的压力，同时限制墙体的纵横向开裂变形；能够有效改善窑洞本体内锚固系统的传力性能，提高其耐久性，且后期钢筋或钢绞线可更换，满足文物保护的可逆性要求；能够对窑洞拱顶、侧墙及墙脚等部位的加固结构进行合理连接，增强结构整体性，保证各加固结构间协同受力；加固结构施工完成后，窑洞文物原貌得以较好保留，方便后期有关人员进行内、外部参观展示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种窑洞加固系统，其特征在于，包括拱圈支撑机构(1)、锚索机构(2)、锚索固定支架(3)及立柱(4)，拱圈支撑机构(1)紧贴设置在窑洞(9)的拱顶；锚索机构(2)贯穿设置在窑洞(9)的拱顶上部土体内，锚索机构(2)的下端与拱圈支撑机构(1)固定连接，锚索机构(2)的上端与锚索固定架(3)固定连接；锚索固定架(3)设置在窑洞(9)顶面上方，锚索固定架(3)用于固定安装锚索；锚索固定架(3)的四周与立柱(4)固定连接，立柱(4)设置在窑洞(9)的四周。

2.根据权利要求1所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，还包括X型支撑架(5)和X型支撑架对穿锚固系统(701)，X型支撑架(5)对称设置在窑洞(9)的侧墙上部两侧，窑洞(9)侧墙内侧的X型支撑架(5)的上端与拱圈支撑机构(1)的末端固定连接；X型支撑架对穿锚固系统(701)贯穿设置在窑洞(9)的侧墙上，X型支撑架对穿锚固系统(701)的一端与窑洞(9)侧墙内侧的X型支撑架(5)固定连接，另一端与窑洞(9)侧墙外侧的X型支撑架(5)固定连接；X型支撑架(5)包括矩形框架(51)和X型支撑(52)，X型支撑(52)沿矩形框架(51)的对角线设置，X型支撑(52)与矩形框架(51)之间铰接固定；设置在窑洞(9)侧墙内侧的X型支撑架(5)的矩形框架(51)的上端通过螺栓与拱圈支撑机构(1)的末端固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，还包括型钢固定装置(6)和型钢固定装置对穿锚固系统(702)，型钢固定装置(6)对称设置在窑洞(9)的侧墙下部两侧；型钢固定装置(6)为L形型钢固定体，L形型钢固定体的竖直边紧贴窑洞(9)侧墙设置，L形型钢固定体的竖直边的上端与X型支撑架(5)固定连接；L形型钢固定体的水平边埋设在地下，且朝向远离窑洞侧墙的方向延伸；型钢固定装置对穿锚固系统(702)贯穿设置在窑洞(9)的侧墙上，型钢固定装置对穿锚固系统(702)的一端与窑洞(9)侧墙内侧的L形型钢固定体的竖直边固定连接，型钢固定装置对穿锚固系统(702)的另一端与窑洞(9)侧墙外侧的L形型钢固定体的竖直边固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，还包括防水屋面(8)，防水屋面(8)倾斜设置在锚索固定架(3)的上方，防水屋面(8)的四周固定设置在立柱(4)的顶端；防水屋面(8)较低一边设置排水沟槽，排水沟槽与设置在立柱(4)上的落水管连通。

5.根据权利要求1所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，拱圈支撑机构(1)包括若干个拱圈支撑架(11)和若干根纵向连接板(12)，若干个拱圈支撑架(11)沿窑洞(9)的进深方向间隔均匀布设，拱圈支撑架(11)的外形尺寸与窑洞(9)拱顶尺寸相配合；相邻两个拱圈支撑架(11)之间通过若干根纵向连接板(12)拉结。

6.根据权利要求1所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，锚索机构(2)包括若干排锚索组，若干排锚索组沿窑洞(9)的进深方向间隔均匀布设；同一排锚索组包括若干根锚索，同一排锚索组的若干根锚索均匀布设在窑洞(9)拱顶上部土体内；每根锚索贯穿窑洞(9)拱顶设置，锚索的下端与拱圈支撑机构(1)固定连接，锚索的上端与锚索固定架(3)固定连接；锚索采用钢绞线楠竹复合锚索结构。

7.根据权利要求6所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，钢绞线楠竹复合锚索结构包括钢绞线(21)、锚索环氧树脂胶层(22)、楠竹锚索套筒(23)、锚索锚固层(24)、锚板(25)及锚索固定螺栓(26)，楠竹锚索套筒(23)贯穿设置在窑洞(9)拱顶内，楠竹锚索套筒(23)的长度与窑洞拱顶上部土体厚度相同；楠竹锚索套筒(23)与窑洞(9)拱顶土体之间设置锚索锚固层(24)；钢绞线(21)贯穿设置在楠竹锚索套筒(23)内；钢绞线(21)与楠竹锚索套筒(23)之间设置有锚索环氧树脂胶层(22)，钢绞线(21)的下端贯穿拱圈支撑机构(1)，通过锚板(25)及锚索固定螺栓(26)固定设置在拱圈支撑机构(1)上；钢绞线(21)的上端与穿过锚索固定架(3)，通过锚板(25)及锚索固定螺栓(26)固定设置在锚索固定架(3)上。

8.根据权利要求6所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，钢绞线楠竹复合锚索结构还包括局部防水层(27)，局部防水层设置在锚索露出窑洞(9)顶面处。

9.根据权利要求3所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，X型支撑架对穿锚固系统(701)或型钢固定装置对穿锚固系统(702)均采用楠竹锚杆复合锚固系统；楠竹锚杆复合锚固系统包括钢筋(71)、锚杆环氧树脂胶层(72)、楠竹锚杆套筒(73)、锚杆锚固层(74)及锚杆固定螺栓(75)；楠竹锚杆套筒(73)贯穿设置在窑洞(9)侧墙上；楠竹锚杆套筒(73)与窑洞(9)侧墙土体之间设置锚杆锚固层(74)，钢筋(71)贯穿设置在楠竹锚杆套筒(73)内，钢筋(71)与楠竹锚杆套筒(73)之间设置锚杆环氧树脂胶层(72)；钢筋(71)的一端贯穿窑洞(9)侧墙内侧的X型支撑架(5)或型钢固定装置(6)，并通过锚杆固定螺栓(75)固定连接；钢筋(71)的另一端贯穿窑洞(9)侧墙外侧的X型支撑架(5)或型钢固定装置(6)，并通过锚杆固定螺栓(75)固定连接。

10.根据权利要求1所述的一种窑洞加固系统，其特征在于，锚索固定架(3)采用纵向槽钢和横向槽钢交错焊接制作，纵向槽钢和横向槽钢的腿部垂直地面向下设置，锚索固定架(3)的上表面为平面；纵向槽钢和横向槽钢交错部位设置锚索固定孔，锚索固定孔用于固定锚索机构(2)。